JP4982802B2

JP4982802B2 - 高温高圧用ベローズバルブ

Info

Publication number: JP4982802B2
Application number: JP2007339737A
Authority: JP
Inventors: 洋平粥川
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-12-28
Also published as: JP2009162256A

Description

この発明は高温高圧の流体の流量を調節し、流路を開閉することができる高温高圧用バルブに関し、特にベローズにより制御流体とバルブ作動部とを隔離する高温高圧用ベローズバルブに関する。

従来より流体の流量を調節し、また流路の開閉を行うバルブは、制御流体が外部に流出することを防止するため多くのシール部材を用いており、特にバルブを作動する弁棒の摺動部分から外部への流体の漏洩を防止するため、ガスケットシール等により密封することが行われている。この種のバルブにおける技術的問題点としては、昇降する弁棒に対するシール方法であった。即ち、螺旋または上下運動を用いて弁棒を昇降し弁座に押し付けてシールする一般的なバルブの場合は、運動する弁棒の摺動部分を通じて外部に流体が漏洩することを防ぐためには、一定以上の変形性のある樹脂などを用いた運動面のシールが必要であった。

しかしながらこれらの樹脂では、使用可能な温度範囲に制限があり、２００℃を超えるような高温化においてシール性を確保することは極めて困難である。このような樹脂によって弁棒摺動部をシールするバルブを高温流体の流量調整に用いる場合は、長寸法の弁棒および弁箱を用意し、弁座付近では高温の流体が、弁棒のシール部分では常温付近になるように温度差を設けた、首の長いバルブを用いる必要があった。しかしながら、運動面シールにおける僅かの漏洩も許されない場合や、流体全体を高温に保つ必要があるなどの特殊な場合においては、このような首の長いバルブは利用できない。

一方で、弁棒の回転運動面シールを必要とせず、完全に流体を封止できる方法としてベローズやダイアフラムを用いたバルブがある。特に原子力発電プラント等で用いるバルブにおいては、高温高圧の放射性物質を含んだ流体の流量を取り扱うため、作動ロッドの摺動部からの漏洩を確実にシールを行うことができるように、例えば特開平９−５３７５１号公報に記載されているような、ベローズによりシールを行うベローズバルブを用いている。これは、弁棒と弁箱の相対運動を、変形が可能なベローズやダイアフラムによって吸収するもので、ベローズまたはダイアフラムと、弁棒および弁箱とのシール方法は、信頼性が高く高温化でも使用可能な、溶接や金属ガスケットを用いることができる利点がある。
特開平９−５３７５１号公報

上記のように、高温高圧の流体を取り扱うバルブとして、弁棒と弁箱との間をベローズによってシールを行うベローズバルブが用いられることが多いが、このようなベローズバルブでは、変形が可能なベローズまたはダイアフラムは、流体の圧力が高い場合、背圧との差圧が大きいと破断する恐れがあり、利用可能な圧力範囲は約３００℃で２０ＭＰａ程度が限度である。それに対して現在は、例えば５００℃程度の高温で更に高圧の流体を取り扱う必要が生じており、このような場合にもシール性が高く安全に利用可能なベローズバルブの開発が望まれていた。

また、ベローズを用いたバルブは前記のようにシール性が高いものの、ベローズは柔軟性を有するため、流体が高圧になると変形し、安定した作動が行われなくなるほか、ベローズからの漏洩が発生し、さらには破断する可能性が高くなり、重大な事故に結びつく危険性があるため、この点でもより安定して作動するベローズバルブの開発が望まれていた。

したがって本発明はより高温高圧の流体に対しても安定して作動し、ベローズからの漏洩や破断の危険性を著しく低減することができる高温高圧用バルブを提供することを主たる目的とする。

本発明は、ベローズバルブまたはダイアフラムバルブにおいて、ベローズまたはダイアフラムの内側に被作動流体としての１次流体と同圧力の、作動流体としての２次流体を満たすことで、ベローズまたはダイアフラムにかかる差圧を解消し、さらに２次流体の圧力をコントロールすることによって弁棒を昇降駆動しバルブを開閉するものである。また、２次流体に液体金属を用いることにより、１次側の圧力変動に２次側圧力が追随することを可能にし、従来用いられていたベローズまたはダイアフラムの破断の危険性を著しく低減すると同時に、２次側の圧力コントロールを容易に行うことができる。

本発明の課題を解決する手段をより具体的に述べると次のようなものである。即ち、本発明に係る高温高圧用バルブは前記課題を解決するため、ベローズ保持部材の流路に内部が連通するようにベローズの開口側端部を溶接して密封固定し、前記ベローズの閉鎖側端部に弁棒を固定し、前記弁棒の端部を弁本体の弁開閉室における弁座に接離可能に配置し、前記ベローズ保持部材の流路を外部に配置した作動流体圧力調節装置に連通して内部に作動流体を充填し、前記ベローズを弁本体のシール室内に伸縮自在に配置し、前記シール室に前記弁開閉室内の被制御流体を導入可能として、シール室内に被制御流体を充填し、前記作動流体圧力調節装置による作動流体の圧力調節により、弁棒を移動して弁を開閉する高温高圧用バルブにおいて、前記作動流体圧力調節装置はピストンシリンダからなり、前記ベローズ内と該ピストンシリンダのシリンダ室とを連通して内部に前記作動流体を充填し、前記ピストンシリンダのピストンの移動により前記弁棒を移動可能としたものであり、かつ、前記弁本体への被制御流体の入口側圧力と出口側圧力との差圧に基づいて、前記弁棒の移動による弁の開度を検出するとともに、前記弁棒に対する弁開度指示に応じて、被制御流体の入口側圧力と前記作動流体の圧力との差圧が所定値になるように、作動流体の圧力を調節することを特徴とする。

また、本発明に係る他の高温高圧用バルブは、前記高温高圧用バルブにおいて、前記作動流体として液体金属を用いることを特徴とする。

本発明により、軸シールが不可能な高温下においても、またベローズやダイアフラムが破断してしまうような高圧下においても使用可能なバルブが実現できる。このような特殊環境下でのバルブの利用範囲としては、例えば原子力分野などで有効に利用可能である。また、原理的に流体の温度を均一にする必要があるような流体の熱物理的性質に関する計測装置に利用することもでき、例えば等容法やバーネット法といった流体の高温高圧下におけるＰＶＴ性質の計測にも役立つ。

本発明は、より高温高圧の流体に対しても安定して作動し、ベローズからの漏洩や破断の危険性を著しく低減することができる高温高圧用バルブを提供するという課題を、ベローズ保持部材の流路に内部が連通するようにベローズの開口側端部を溶接して密封固定し、ベローズの閉鎖側端部に弁棒を固定し、前記弁棒の端部を弁本体の弁開閉室における弁座に接離可能に配置し、前記ベローズ保持部材の流路を外部に配置した作動流体圧力調節装置に連通して内部に作動流体を充填し、前記ベローズを弁本体のシール室内に伸縮自在に配置し、前記シール室にロッド周囲の間隙を介して前記弁開閉室内の被制御流体を導入可能として、シール室内に被制御流体を充填し、前記作動流体圧力調節装置による作動流体の圧力調節によりピストンシリンダのピストンの移動により弁棒を移動して弁を開閉することにより実現した。

図１にベローズバルブの例として本発明の実施例を示す。図１の例においては、弁本体５の下部に被制御流体としての1次流体が流入する一次流体入口１２と1次流体出口１３とを設け、この1次流体入口と出口間に弁座１０を備えた弁開閉室１４を形成している。弁開閉室１４には弁棒８の下端部が図中上下動可能に位置しており、弁棒８の下端面が弁座１０に接離することによって流路を開閉し、また弁座１０から離れる程度によって流量調節も可能としている。

弁棒８は弁本体５に形成した案内孔１５によって図中上下方向の摺動が案内され、上端部はシール室１６内に延びており、このシール室１６内に収容したベローズ６の下端面１７に溶接部７で固定している。シール室１６の上部は弁本体５に嵌合したベローズ保持部材２により封止され、この封止部には金属ガスケット４を設けて確実なシールを行っている。ベローズ６の上端開口部１８は、シール室１６に面したベローズ保持部材２の下面１９に対してベローズ溶接部３で固定している。ベローズ６はシール室１６内面に近接して伸縮可能としている。

シール室１６内には弁開閉室１４側から弁棒８と案内孔１５との間を通って進入する高温高圧の１次流体９が充満しており、したがってベローズ６は外側からこの１次流体９の入口側圧力を受けている。ベローズ６の内部２１には作動流体としての流体金属からなる２次流体１を充填しており、２次流体１はベローズ保持部材２から突出した管２２内の管路２３に接続する配管２４を介して、作動流体圧力調節装置１１としてのピストンシリンダにおけるシリンダ室３０と連通している。流体金属としては種々のものを用いることができるが、例えば水銀あるいはガリウム等を用いることもできる。

ピストンシリンダは内部にシリンダ室３０を形成するシリンダ２５と、シリンダ２５内で摺動するピストン２６とから構成され、ピストン２６にはロッドを備えており、このロッド２７は図示されないコントロール部で制御されて所定の移動を行うように駆動装置で駆動される。それにより、ピストン２６が図中左方に駆動されると、シリンダ室２４内の２次流体１は配管２４を介してベローズ６内部に移動し、弁棒８を図中下方に移動し、弁の閉方向の作動、及び全閉時の密封加圧作動を行う。逆に、ピストン２６が図中右方に駆動されると、弁の密封解除作動、及び弁棒８の図中上方への移動による弁の所定量の開放作動を行う。

上記のような構成により弁棒８の周囲における弁案内孔１５との間のシールを行う必要がなくなり、また、１次流体９は、ベローズ溶接部３及び金属ガスケット４によって密閉された空間の中にあり、高温環境下でも漏洩することがない。また、ベローズ６は薄肉の構造であるが、1次流体９と２次流体１の圧力がバランスしているため破断の危険性は極めて小さく、また破断の危険性が少ない分だけベローズを薄肉として、応答性を向上することも可能となる。

更に、２次流体１として前記のような水銀やガリウム等の液体金属を用いると、その圧縮率が極めて小さいために、１次流体９側に大きな圧力変動があった場合も、２次流体１の体積をほとんど変えずに同じ圧力に追随することができる。したがって２次流体の注入または排出を行う作動流体圧力調節装置部分には、図示するような単純なピストンシリンダを用いれば十分であり、また配管長を長くとることができるため、遠隔操作も容易に実現できる。

前記のような基本構成からなる本発明によるベローズバルブにおいては、例えば図２に示すように構成することにより、容易に組み立て製造を行うことができる。即ち図２に示す例においては、ベローズ６の下端面１７に弁棒８を溶接部７で溶接した状態で、このベローズ６の上端開口部１８の周囲部分をベローズ保持部材２の下面１９に溶接部３で溶接しており、それによりベローズ保持部材２にはベローズ６と弁棒８が一体化した状態で予めベローズ組立体２４として組み立て製造しておくことができる。

図示の例においてはベローズ保持部材２の上部外周には雄ねじ２５を設け、前記ベローズ組立体２４を弁本体５に形成した嵌合部２６に嵌合するとき、ロッド８を案内孔１５に嵌入し、ベローズ６はシール室１６内に挿入される。最終的に雄ねじ２５を嵌合部２６の上部内周に設けた雌ねじ２７に螺合し、ベローズ保持部材２の下面１９を弁本体５の段部２８に設けた金属シール２９に圧接することによって確実なシールを行わせる。

この状態でベローズ保持部材２の上部に形成した管継手部３１に金属製の管２２を螺合し、管端をシール３２に圧接させることによって確実なシールを行う。上記のような構造を採用することにより、ロッド８をベローズに確実に溶接し、またベローズをベローズ保持部材下面に確実に且つ容易に溶接することができ、シール性を確保することができる。

図１に示す基本構成からなる本発明によるベローズバルブにおいては、例えば図３に示すような作動システムによって作動することができる。即ち図３に示す例においては、作動流体圧力調節装置１１としてのピストンシリンダにおけるピストン２６のロッド２７を、駆動制御装置３３により往復動可能とし、それによりシリンダ２５内でピストン２６を往復動し、シリンダ室３０の容積を可変としている。

図３に示す駆動制御装置３３においては1次流体入口１２側の圧力Ｐ１を入力して1次流体の圧力状態を検出するとともに、1次流体出口１３側圧力Ｐ２を入力し、両圧力の差圧から弁の開度を検出可能とする。また、管路２４内の圧力Ｐ３を検出して２次流体の圧力状態を監視し、特に1次流体入口の圧力Ｐ１との差圧が所定の圧力差状態になっているかを監視する。また弁の開度を制御するため、弁開度指示値３４を入力し、この指示値にしたがってロッド２７を駆動し、前記のように２次流体の圧力調節によって弁棒８を上下動し、弁の開度を所定の状態になるように制御する。弁棒８の上下動による弁の開度の状態は、前記のように1次流体入口１２の圧力Ｐ１と1次流体出口１３の圧力Ｐ２の差圧によって監視し、フィードバック制御することができる。

以上のような構成により、１次流体９が非常に高温・高圧になっても、漏洩がなく、ベローズ６の破断の危険性も極めて小さいバルブを得ることができ、しかも安定した弁の開閉作動を行わせることができる。

上記のような本発明は、高温高圧の流体を取り扱う例えば原子力分野などで有効に利用可能であるが、そのほか、例えば等容法やバーネット法のような、高温高圧下におけるＰＶＴ性質の計測のように、原理的に流体の温度を均一にする必要があるような流体の熱物理的性質に関する計測装置に有効に利用することもできる。

本発明の実施例の基本構成を示す断面図である。同実施例における分解図である。同実施例における駆動制御装置を用いた作動システムを示す図である。

符号の説明

１２次流体
２ベローズ保持部材
３ベローズ溶接部
４金属ガスケット
５弁本体
６ベローズ
７溶接部
８弁棒
９１次流体
１０弁座
１１作動流体圧力調節装置
１２１次流体入口
１３１次流体出口
１４弁開閉室
１５案内孔
１６シール室
１７下端面
１８上端開口部
１９下面
２１内部
２２管
２３管路
２４配管
２５シリンダ
２６ピストン
２７ロッド
２８段部
２９シール
３０シリンダ室
３１管継手部
３２シール
３３駆動制御装置
３４弁解度指示値

Claims

ベローズ保持部材の流路に内部が連通するようにベローズの開口側端部を溶接して密封固定し、
前記ベローズの閉鎖側端部に弁棒を固定し、
前記弁棒の端部を弁本体の弁開閉室における弁座に接離可能に配置し、
前記ベローズ保持部材の流路を外部に配置した作動流体圧力調節装置に連通して内部に作動流体を充填し、
前記ベローズを弁本体のシール室内に伸縮自在に配置し、
前記シール室に前記弁開閉室内の被制御流体を導入可能として、シール室内に被制御流体を充填し、
前記作動流体圧力調節装置による作動流体の圧力調節により、弁棒を移動して弁を開閉する高温高圧用バルブにおいて、
前記作動流体圧力調節装置はピストンシリンダからなり、前記ベローズ内と該ピストンシリンダのシリンダ室とを連通して内部に前記作動流体を充填し、前記ピストンシリンダのピストンの移動により前記弁棒を移動可能としたものであり、かつ、
前記弁本体への被制御流体の入口側圧力と出口側圧力との差圧に基づいて、前記弁棒の移動による弁の開度を検出するとともに、前記弁棒に対する弁開度指示に応じて、被制御流体の入口側圧力と前記作動流体の圧力との差圧が所定値になるように、作動流体の圧力を調節することを特徴とする高温高圧用バルブ。
前記作動流体として液体金属を用いることを特徴とする請求項1記載の高温高圧用バルブ。